基于有限元正装迭代悬拼拱桥合理施工索力优化

朱华栋，卓小丽

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 414600；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530000)



桥梁工程

基于有限元正装迭代悬拼拱桥合理施工索力优化

朱华栋1，卓小丽2

(1.长沙理工大学土木与建筑学院，湖南 长沙 414600；2.广西交通科学研究院，广西 南宁 530000)

结合贵州龙场渡槽对千斤顶斜拉扣挂法施工中合理施工索力的计算进行研究，提出以扣塔偏位和拱圈应力为优化目标的优化思想，采用有限元分析软件对施工过程正装模拟，通过正装迭代得到合理施工索力，为类似工程提供索力计算依据。

斜拉扣挂；合理施工索力；有限元；正装迭代；索力优化

1 工程背景

龙场渡槽为单跨拱式渡槽，主拱圈为单箱双室钢筋混凝土箱形拱，净跨径200 m，净矢高f0=40 m，矢跨比1/5。拱轴线为悬链线，拱轴系数m=2.240。拱箱为变截面，拱宽从12 m渐变为5.5 m，箱高3.5 m。

拱圈0#节段采用贝雷架反拉现浇方案，1#～13#节段采用预制吊装，拱顶设劲性骨架合龙段。每安装完成一个节段，立即浇筑当前节段与上一节段间的接缝，待接头混凝土达到85%以上设计强度时，方可吊装下一节段。主拱圈采用整体分段预制和悬臂(缆索吊装配合斜拉扣挂工艺)安装方案，纵向分为26段预制吊装，为方便预制施工和吊装安全，横向两箱整体预制。预制段的纵向通过榫头搭接相连，每安装1节段后，将前面节段接头的现浇砼浇筑完毕，增加拱圈的整体刚度与接头的强度，保证施工安全。

2 施工索力初步计算

根据实际施工方案，采取两次张拉工艺，基于接头的特殊性，提出“一张平衡自重，二张调节内力的”原则。指导施工索力计算。初步计算施工索力。

基于计算结果，采用结构分析专用软件MIDAS CIVIL 2012对施工过程进行正装模拟。

根据模拟结果可得到拱圈应力包络图、拱圈变形包络图，结果如下。

根据图1至图2可知，初步计算索力作用下拱圈上缘最大拉应力为1.8 MPa，最大压应力8 MPa，而拱圈下缘最大拉应力达到了5 MPa，远远超过C55混凝土抗裂要求的1.92 MPa，截面应力过大，无法满足设计要求。故需对初步计算结果进行正装迭代优化。

图 1 初步计算索力作用下拱圈截面上缘应力包络图

图 2 初步计算索力作用下拱圈截面下缘应力包络图

3 施工索力优化

3.1 优化目标

基于初步计算结果，以拉索安全系数，拱圈截面应力，扣塔塔偏满足要求为优化目标，对扣索索力进行修正。最终迭代结果要求在保证拉索安全系数足够的情况下，施工过程中的拱圈截面应力和扣塔塔偏均收敛，经过多次迭代，优化结果如下。

3.2 优化结果

根据各工况优化结果可得到拱圈应力包络图、拱圈变形包络图及钢扣塔偏位包络图，结果如下：根据图3至图5可知，正装迭代优化后索力作用下拱圈上缘最大拉应力为0.8 MPa，最大压应力3.5 MPa，拱圈下缘最大拉应力减小至0.5 MPa，满足混凝土抗裂要求的1.92 MPa。同时，钢扣塔在该组索力作用下最大变形减小至21 mm，满足规范要求。故该组索力可在二次张拉工艺中实现拱圈应力、索力及扣塔偏位多目标控制。

图 3 优化索力后拱圈截面上缘应力包络图

4 结 论

千斤顶斜拉扣挂工艺实现多次张拉较便利，基于该工艺提出“一张平衡节段自重，二张调节拱圈应力”的索力控制原则。以该原则为索力优化思想，将拱圈应力、扣塔偏位作为优化目标，建立有限元施工过程模型，对索力进行正装迭代优化，得到最终合理施工索力，指导施工。龙场渡槽顺利成拱验证了该法的可行性。

图 4 优化索力后拱圈截面下缘应力包络图

图 5 优化索力后钢扣塔偏位包络图

[1] 周水兴,蔡净,熊洪滨.定长扣索法安装拱析架一竹段控制索力计算[J].工程力学，2001.

[2] 周水兴.浙江三门健跳大桥拱肋安装与施工控制计算[J].重庆交通学院学报，2002.

2016-04-12

朱华栋(1991-)，男，湖南郴州人，硕士研究生，研究方向：桥梁施工控制。

U442

C

1008-3383(2016)08-0069-01